CN111156249A - 一种刚度可调的气浮导轨 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刚度可调的气浮导轨，包括导轨条及滑块，所述滑块与导轨条之间具有气膜间隙，所述气膜间隙包括用于将滑块支撑在导轨条上侧的第一气膜，还包括电磁铁，所述电磁铁固定在导轨条和/或滑块上，且在电磁铁通电后，电磁铁产生使得导轨条与滑块在竖直方向相互靠拢的磁力。本气浮导轨的结构设计可使得其能够被运用于精密测量仪器或者超精密机床在轻负载时，拥有良好的支承刚度和运动精度和抗干扰的能力，有利于提高气浮导轨的运动精度和动力学性能。

Description

一种刚度可调的气浮导轨
技术领域
本发明涉及气浮导轨技术领域，特别是涉及一种刚度可调的气浮导轨。
背景技术
气浮导轨基于气体动静压效应，实现无摩擦和无振动的平滑移动。它具有运动精度高、清洁无污染等特点。因其误差均化作用，可用比较低的制造精度来获得较高的导向精度。通常与伺服驱动，传感器组成闭环系统，实现高精度位移定位。气浮导轨在测量仪器、精密机械中得到了广泛的应用。
气浮导轨一般包括以下结构：导轨座(导轨条)、溜板(滑块)、节流器、供气系统及调节装置，所述节流器形式多样，一般包括如：小孔节流器、毛细管节流器、薄膜反馈节流器等。
气浮导轨按安装特征可以分为：平面封闭型、圆筒封闭型、重力平衡型和真空预载荷型。
以重力平衡型气浮导轨为例，其结构简单，加工方便，但刚度低，用于负载变动较小的场合。但在具体使用时，随着气浮导轨工作条件的改变，如导轨的负载、供气压力等参数的改变，气膜厚度也会有相应的改变，从而改变了气浮导轨的动力学性能。以上刚度低的问题直接影响导轨的运动精度和抗干扰的能力，给气浮导轨的运用和性能具有较大的影响。
发明内容
针对上述提出的针对如提高气浮导轨的运动精度、抗干扰能力，以使得气浮导轨能够满足在精密测量仪器或者超精密机床上对气浮导轨良好的动力学性能以及抗干扰能力的要求，本发明提供了一种刚度可调的气浮导轨。本气浮导轨的结构设计可使得其能够被运用于精密测量仪器或者超精密机床在轻负载时，拥有良好的支承刚度和运动精度和抗干扰的能力，有利于提高气浮导轨的运动精度和动力学性能。
针对上述问题，本发明提供的一种刚度可调的气浮导轨通过以下技术要点来解决问题：一种刚度可调的气浮导轨，包括导轨条及滑块，所述滑块与导轨条之间具有气膜间隙，所述气膜间隙包括用于将滑块支撑在导轨条上侧的第一气膜，还包括电磁铁，所述电磁铁固定在导轨条和/或滑块上，且在电磁铁通电后，电磁铁产生使得导轨条与滑块在竖直方向相互靠拢的磁力。
现有重力平衡型气浮导轨的承载力与气膜厚度呈非线性关系，为获得较好的动力学性能，提高导轨的运动精度和抗干扰的能力，对气膜厚度的调节就显的尤其重要。但在轻负载时，如通过节流器，调节气膜间隙中的气膜形态、压强分布，并不能从本质上增大气膜刚度。
本方案提供的技术方案为一种重力平衡型气浮导轨，其具体结构设计时，考虑到气浮导轨的气膜厚度主要由负载决定的特点，利用电磁铁加、卸载方便的优点，设计了一种包括导轨条、电磁铁和滑块的气浮导轨，更为具体的，作为本领域技术人员，为获得所述气膜间隙，在滑块上相应气路，同时在气路中安装节流器即可。
本方案在具体运用时，通过启用电磁铁，电磁铁产生使得导轨条与滑块相互靠拢的力，以上力作为滑块负载的一部分。这样，可根据具体的滑块上的物件负载和气膜气源参数，调整以上来自电磁铁加载的力的大小，即本方案提供了一种气膜刚度可调的气浮导轨设计，使得其在运用于如精密测量仪器或者超精密机床且在轻负载时，拥有良好的支承刚度、运动轨迹精度和抗干扰的能力。
更进一步的技术方案为：
作为一种可在导轨条长度方向、宽度方向对滑块的状态进行调节的技术方案，在导轨条的宽度方向上，导轨条的左侧和右侧均设置有多个电磁铁；
导轨条左侧的电磁铁沿着导轨条的长度方向依次排布；
导轨条右侧的电磁铁沿着导轨条的长度方向依次排布；
各电磁铁均可独立工作。本方案在具体运用时，如通过位移传感器实时监测气膜厚度，在具有多个监测点且不同监测点获得的数据出现偏差时，由于各个电磁铁均可独立工作，通过分别控制每一块电磁铁的电流，改变在导轨条长度方向、宽度方向上分布于不同位置的电磁铁的磁力大小，从而控制加载在滑块上的磁力分布，纠正滑块的前后偏移、左右偏移，达到让气膜厚度处于较好区间并减小滑块的偏转的目的。
作为一种电磁铁可随滑块滑动，使得滑块在任意位置时，各电磁铁均能够参与以上气模厚度调节、偏转调节，同时电磁铁安装本身不影响导轨条、滑块配合关系的技术方案，设置为：电磁铁均安装在滑块上；
所述第一气膜设置在导轨条宽度方向的中部；
滑块的左侧和右侧均设置有一个与滑块侧面相接的凹槽，所述电磁铁安装在所述凹槽中。
作为一种电磁铁可随滑块滑动，使得滑块在任意位置时，各电磁铁均能够参与以上气模厚度调节、偏转调节，同时为利用更大的电磁力或电磁力可调范围，使得滑块获得更大的负载，以达到强化对滑块上具体负载重量区间的适应性的技术方案，设置为：电磁铁均安装在滑块上；
所述第一气膜设置在导轨条宽度方向的中部；
电磁铁均通过顶面与滑块的底面固定连接安装于滑块上。采用本方案，电磁铁可覆盖滑块底侧除开第一气膜所在范围其他的所有范围。
为方便实现第一气膜气膜厚度实时检测，设置为：还包括位移传感器，所述位移传感器用于检测所述第一气膜的气膜厚度。
为采用数量最少的传感器，获得滑块的前后偏移和左右偏移情况检测，设置为：所述位移传感器的数量为两个，且两个位移传感器以相对之间呈对角布置的方式固定于滑块上。现有技术中，滑块一般呈长方体状或正方体状，以上对角布置，可理解为相较于沿着滑块滑动运动方向延伸的中心线，其中一个位移传感器位于中心线的左侧，另一个位于右侧，且两个传感器位于滑块的不同端。
为实现以上刚度可调自适应调节，设置为：还包括信号输入端与位移传感器信号输出端信号连接的控制系统，所述控制系统用于：通过采集来自位移传感器的气膜厚度数据，控制电磁铁的工作参数。作为本领域技术人员，以上电磁铁工作参数控制可用于气膜厚度自适应调节、纠偏自适应调节，控制系统采用自适应模糊控制算法，控制对电磁铁的供电参数即可达到相应目的。
由于电磁铁在工作时不可避免的会产生磁场，为减小以上磁场对气浮导轨工作区域内如电子元器件的影响、减小电磁铁工作时对滑块在导轨条宽度方向上位置的影响，设置为：还包括包裹在电磁铁上的磁屏蔽套，所述磁屏蔽套为一侧开口的盒体状结构，且在电磁铁与磁屏蔽套形成的组合体中，所述磁屏蔽套的开口侧对应电磁铁在进行导轨条与滑块相互吸引时的工作侧。作为本领域技术人员，以上磁屏蔽套用于阻止由电磁铁所产生的磁场向外扩散。
为获得滑块相对于导轨条更为稳定的运动轨迹精度，设置为：所述滑块为下侧设置有凹槽的块状结构，所述导轨条的横截面呈倒置的T形，且导轨条上侧凸出的部分嵌入所述凹槽中，所述第一气膜位于所述凸起部分顶侧与凹槽底侧之间；
所述气膜间隙还包括两个第二气膜，在导轨条的宽度方向上，所述凸起部分的侧面与凹槽的侧面之间均具有一个第二气膜。本方案在具体运用时，以上结构设计可使得利用第一气膜实现对滑块在竖直方向的支撑，利用两个第二气膜，实现滑块在导轨条宽度方向上的位置约束。
作为一种气膜刚度可调、滑块偏转可调、方便实现气浮导轨小型化设计的技术方案，设置为：所述电磁铁有多个且为偶数个；
所述导轨条包括导轨基体，所述电磁铁的下端固定于导轨导轨基体上，且电磁铁作为导轨条上的凸出的部分；
电磁铁沿着导轨条长度方向的中心线排列成两列；
两列电磁铁呈线对称关系；
各电磁铁均可独立工作。
本发明具有以下有益效果：
本方案提供的技术方案为一种重力平衡型气浮导轨，其具体结构设计时，考虑到气浮导轨的气膜厚度主要由负载决定的特点，利用电磁铁加、卸载方便的优点，设计了一种包括导轨条、电磁铁和滑块的气浮导轨，更为具体的，作为本领域技术人员，为获得所述气膜间隙，在滑块上相应气路，同时在气路中安装节流器即可。
本方案在具体运用时，通过启用电磁铁，电磁铁产生使得导轨条与滑块相互靠拢的力，以上力作为滑块负载的一部分。这样，可根据具体的滑块上的物件负载和气膜气源参数，调整以上来自电磁铁加载的力的大小，即本方案提供了一种气膜刚度可调的气浮导轨设计，使得其在运用于如精密测量仪器或者超精密机床且在轻负载时，拥有良好的支承刚度、运动轨迹精度和抗干扰的能力。
附图说明
图1为本发明所述的一种刚度可调的气浮导轨一个具体实施例的结构示意图，该示意图为剖视图，用于反映在滑块的左侧和右侧设置凹槽以安装电磁铁，电磁铁在气浮导轨上的运用不影响导轨条与滑块配合关系的具体方案；
图2为本发明所述的一种刚度可调的气浮导轨一个具体实施例的结构示意图，该示意图为剖视图，用于反映在电磁铁安装在滑块底侧，使得电磁铁的有效磁力影响范围包括滑块下侧第一气膜范围以外其他全部区域的具体技术方案；
图3为图1或图2所示结构的侧视图，区别于图1和图2，该侧视图中包括位移传感器和控制系统；
图4为图1或图2所示结构的俯视图；
图5为本发明所述的一种刚度可调的气浮导轨一个具体实施例的结构示意图，该示意图为剖视图，用于反映在电磁铁作为呈倒T形的导轨条一部分时的具体方案；
图6为图5所示结构的侧视图，区别于图5，该侧视图中包括位移传感器和控制系统；
图7为图5所示结构的俯视图。
图中的标记分别为：1、导轨条，2、电磁铁，3、滑块，4、节流器，5、磁屏蔽套，6、位移传感器，7、控制系统，8、第一气膜，9、第二气膜。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：
实施例1：
如图1至图7所示，一种刚度可调的气浮导轨，包括导轨条1及滑块3，所述滑块3与导轨条1之间具有气膜间隙，所述气膜间隙包括用于将滑块3支撑在导轨条1上侧的第一气膜8，还包括电磁铁2，所述电磁铁2固定在导轨条1和/或滑块3上，且在电磁铁2通电后，电磁铁2产生使得导轨条1与滑块3在竖直方向相互靠拢的磁力。
现有重力平衡型气浮导轨的承载力与气膜厚度呈非线性关系，为获得较好的动力学性能，提高导轨的运动精度和抗干扰的能力，对气膜厚度的调节就显的尤其重要。但在轻负载时，如通过节流器4，调节气膜间隙中的气膜形态、压强分布，并不能从本质上增大气膜刚度。
本方案提供的技术方案为一种重力平衡型气浮导轨，其具体结构设计时，考虑到气浮导轨的气膜厚度主要由负载决定的特点，利用电磁铁2加、卸载方便的优点，设计了一种包括导轨条1、电磁铁2和滑块3的气浮导轨，更为具体的，作为本领域技术人员，为获得所述气膜间隙，在滑块3上相应气路，同时在气路中安装节流器4即可。
本方案在具体运用时，通过启用电磁铁2，电磁铁2产生使得导轨条1与滑块3相互靠拢的力，以上力作为滑块3负载的一部分。这样，可根据具体的滑块3上的物件负载和气膜气源参数，调整以上来自电磁铁2加载的力的大小，即本方案提供了一种气膜刚度可调的气浮导轨设计，使得其在运用于如精密测量仪器或者超精密机床且在轻负载时，拥有良好的支承刚度、运动轨迹精度和抗干扰的能力。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图1至图7所示，作为一种可在导轨条1长度方向、宽度方向对滑块3的状态进行调节的技术方案，在导轨条1的宽度方向上，导轨条1的左侧和右侧均设置有多个电磁铁2；
导轨条1左侧的电磁铁2沿着导轨条1的长度方向依次排布；
导轨条1右侧的电磁铁2沿着导轨条1的长度方向依次排布；
各电磁铁2均可独立工作。本方案在具体运用时，如通过位移传感器6实时监测气膜厚度，在具有多个监测点且不同监测点获得的数据出现偏差时，由于各个电磁铁2均可独立工作，通过分别控制每一块电磁铁2的电流，改变在导轨条1长度方向、宽度方向上分布于不同位置的电磁铁2的磁力大小，从而控制加载在滑块3上的磁力分布，纠正滑块3的前后偏移、左右偏移，达到让气膜厚度处于较好区间并减小滑块3的偏转的目的。
实施例3：
本实施例在实施例2的基础上作进一步限定，如图1、图3和图4所示，作为一种电磁铁2可随滑块3滑动，使得滑块3在任意位置时，各电磁铁2均能够参与以上气模厚度调节、偏转调节，同时电磁铁2安装本身不影响导轨条1、滑块3配合关系的技术方案，设置为：电磁铁2均安装在滑块3上；
所述第一气膜8设置在导轨条1宽度方向的中部；
滑块3的左侧和右侧均设置有一个与滑块3侧面相接的凹槽，所述电磁铁2安装在所述凹槽中。
实施例4：
本实施例在实施例2的基础上作进一步限定，如图2、图3和图4所示，作为一种电磁铁2可随滑块3滑动，使得滑块3在任意位置时，各电磁铁2均能够参与以上气模厚度调节、偏转调节，同时为利用更大的电磁力或电磁力可调范围，使得滑块3获得更大的负载，以达到强化对滑块3上具体负载重量区间的适应性的技术方案，设置为：电磁铁2均安装在滑块3上；
所述第一气膜8设置在导轨条1宽度方向的中部；
电磁铁2均通过顶面与滑块3的底面固定连接安装于滑块3上。采用本方案，电磁铁2可覆盖滑块3底侧除开第一气膜8所在范围其他的所有范围。
实施例5：
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图1至图7所示，为方便实现第一气膜8气膜厚度实时检测，设置为：还包括位移传感器6，所述位移传感器6用于检测所述第一气膜8的气膜厚度。
为采用数量最少的传感器，获得滑块3的前后偏移和左右偏移情况检测，设置为：所述位移传感器6的数量为两个，且两个位移传感器6以相对之间呈对角布置的方式固定于滑块3上。现有技术中，滑块3一般呈长方体状或正方体状，以上对角布置，可理解为相较于沿着滑块3滑动运动方向延伸的中心线，其中一个位移传感器6位于中心线的左侧，另一个位于右侧，且两个传感器位于滑块3的不同端。
实施例6：
本实施例在实施例5的基础上作进一步限定，如图1至图7所示，为实现以上刚度可调自适应调节，设置为：还包括信号输入端与位移传感器6信号输出端信号连接的控制系统7，所述控制系统7用于：通过采集来自位移传感器6的气膜厚度数据，控制电磁铁2的工作参数。作为本领域技术人员，以上电磁铁2工作参数控制可用于气膜厚度自适应调节、纠偏自适应调节，控制系统7采用自适应模糊控制算法，控制对电磁铁2的供电参数即可达到相应目的。
实施例7：
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图1至图7所示，由于电磁铁2在工作时不可避免的会产生磁场，为减小以上磁场对气浮导轨工作区域内如电子元器件的影响、减小电磁铁2工作时对滑块3在导轨条1宽度方向上位置的影响，设置为：还包括包裹在电磁铁2上的磁屏蔽套5，所述磁屏蔽套5为一侧开口的盒体状结构，且在电磁铁2与磁屏蔽套5形成的组合体中，所述磁屏蔽套5的开口侧对应电磁铁2在进行导轨条1与滑块3相互吸引时的工作侧。作为本领域技术人员，以上磁屏蔽套5用于阻止由电磁铁2所产生的磁场向外扩散。
实施例8：
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图1至图7所示，为获得滑块3相对于导轨条1更为稳定的运动轨迹精度，设置为：所述滑块3为下侧设置有凹槽的块状结构，所述导轨条1的横截面呈倒置的T形，且导轨条1上侧凸出的部分嵌入所述凹槽中，所述第一气膜8位于所述凸起部分顶侧与凹槽底侧之间；
所述气膜间隙还包括两个第二气膜9，在导轨条1的宽度方向上，所述凸起部分的侧面与凹槽的侧面之间均具有一个第二气膜9。本方案在具体运用时，以上结构设计可使得利用第一气膜8实现对滑块3在竖直方向的支撑，利用两个第二气膜9，实现滑块3在导轨条1宽度方向上的位置约束。
实施例9：
本实施例在实施例8的基础上作进一步限定，如图5至图7所示，作为一种气膜刚度可调、滑块3偏转可调、方便实现气浮导轨小型化设计的技术方案，设置为：所述电磁铁2有多个且为偶数个；
所述导轨条1包括导轨基体，所述电磁铁2的下端固定于导轨导轨基体上，且电磁铁2作为导轨条1上的凸出的部分；
电磁铁2沿着导轨条1长度方向的中心线排列成两列；
两列电磁铁2呈线对称关系；
各电磁铁2均可独立工作。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种刚度可调的气浮导轨，包括导轨条(1)及滑块(3)，所述滑块(3)与导轨条(1)之间具有气膜间隙，所述气膜间隙包括用于将滑块(3)支撑在导轨条(1)上侧的第一气膜(8)，其特征在于，还包括电磁铁(2)，所述电磁铁(2)固定在导轨条(1)和/或滑块(3)上，且在电磁铁(2)通电后，电磁铁(2)产生使得导轨条(1)与滑块(3)在竖直方向相互靠拢的磁力。
2.根据权利要求1所述的一种刚度可调的气浮导轨，其特征在于，在导轨条(1)的宽度方向上，导轨条(1)的左侧和右侧均设置有多个电磁铁(2)；
导轨条(1)左侧的电磁铁(2)沿着导轨条(1)的长度方向依次排布；
导轨条(1)右侧的电磁铁(2)沿着导轨条(1)的长度方向依次排布；
各电磁铁(2)均可独立工作。
3.根据权利要求2所述的一种刚度可调的气浮导轨，其特征在于，电磁铁(2)均安装在滑块(3)上；
所述第一气膜(8)设置在导轨条(1)宽度方向的中部；
滑块(3)的左侧和右侧均设置有一个与滑块(3)侧面相接的凹槽，所述电磁铁(2)安装在所述凹槽中。
4.根据权利要求2所述的一种刚度可调的气浮导轨，其特征在于，电磁铁(2)均安装在滑块(3)上；
所述第一气膜(8)设置在导轨条(1)宽度方向的中部；
电磁铁(2)均通过顶面与滑块(3)的底面固定连接安装于滑块(3)上。
5.根据权利要求1所述的一种刚度可调的气浮导轨，其特征在于，还包括位移传感器(6)，所述位移传感器(6)用于检测所述第一气膜(8)的气膜厚度。
6.根据权利要求5所述的一种刚度可调的气浮导轨，其特征在于，所述位移传感器(6)的数量为两个，且两个位移传感器(6)以相对之间呈对角布置的方式固定于滑块(3)上。
7.根据权利要求5或6所述的一种刚度可调的气浮导轨，其特征在于，还包括信号输入端与位移传感器(6)信号输出端信号连接的控制系统(7)，所述控制系统(7)用于：通过采集来自位移传感器(6)的气膜厚度数据，控制电磁铁(2)的工作参数。
8.根据权利要求1所述的一种刚度可调的气浮导轨，其特征在于，还包括包裹在电磁铁(2)上的磁屏蔽套(5)，所述磁屏蔽套(5)为一侧开口的盒体状结构，且在电磁铁(2)与磁屏蔽套(5)形成的组合体中，所述磁屏蔽套(5)的开口侧对应电磁铁(2)在进行导轨条(1)与滑块(3)相互吸引时的工作侧。
9.根据权利要求1所述的一种刚度可调的气浮导轨，其特征在于，所述滑块(3)为下侧设置有凹槽的块状结构，所述导轨条(1)的横截面呈倒置的T形，且导轨条(1)上侧凸出的部分嵌入所述凹槽中，所述第一气膜(8)位于所述凸起部分顶侧与凹槽底侧之间；
所述气膜间隙还包括两个第二气膜(9)，在导轨条(1)的宽度方向上，所述凸起部分的侧面与凹槽的侧面之间均具有一个第二气膜(9)。
10.根据权利要求9所述的一种刚度可调的气浮导轨，其特征在于，所述电磁铁(2)有多个且为偶数个；
所述导轨条(1)包括导轨基体，所述电磁铁(2)的下端固定于导轨导轨基体上，且电磁铁(2)作为导轨条(1)上的凸出的部分；
电磁铁(2)沿着导轨条(1)长度方向的中心线排列成两列；
两列电磁铁(2)呈线对称关系；
各电磁铁(2)均可独立工作。
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